正激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、范文范例學(xué)習(xí)指導(dǎo)7-3正激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中山市技師學(xué)院 葛中海由于反激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)變壓器起到 儲(chǔ)能電感 的作用，因此反激式開(kāi)關(guān)變壓器類(lèi)似于電 感的設(shè)計(jì)，但需注意防止 磁飽和的問(wèn)題。反激式在20100W的小功率開(kāi)關(guān)電源方面比較有優(yōu)勢(shì)， 因其電路簡(jiǎn)單，控制也比較容易。而正激式開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器 只起到傳輸能量 的作用，其 開(kāi)關(guān)變壓器可按正常的變壓器設(shè)計(jì)方法，但需考慮磁復(fù)位、同步整流 等問(wèn)題。正激式適合50250W之低壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源。這是二者的重要區(qū)別！7.3.1 技術(shù)指標(biāo)正激式開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表7-7所示。表7-7正激式開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目參數(shù)輸入電壓?jiǎn)蜗嘟涣?20V輸入電

2、壓變動(dòng)范圍160Vac 235Vac輸入頻率50Hz輸出電壓Vo=5.5V20A輸出功率110W7.3.2 工作頻率的確定工作頻率對(duì)電源體積以及特性影響很大，必須很好選擇。工作頻率高時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器和輸出濾波器可小型化，過(guò)渡響應(yīng)速度快。但主開(kāi)關(guān)元件的熱損耗增大、噪聲大，而且集成控制器、主 開(kāi)關(guān)元件、輸出二極管、輸出電容及變壓器的磁芯、還有電路設(shè)計(jì)等受到限制。這里基本工作頻率 f0選200kHz ,則11T = 一 =3 =5sf0200 10式中，T為周期，f0為基本工作頻率。7.3.3 最大導(dǎo)通時(shí)間的確定對(duì)于正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源，D選為40%45%較為適宜。最大導(dǎo)通時(shí)間tONmax為tON max

3、 = T 父 Dmax(7-24)Dmax是設(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)主開(kāi)關(guān)元件、 輸出二極管的耐壓與輸出保持時(shí)間、變壓器以及和輸出濾波器的大小、轉(zhuǎn)換效率等都有很大影響。此處，選Dmax =45%。由式（7-24）,則有toN max =5 W釣 0.45=2.25 11 S正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)如圖7-25所示。圖7-25正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)word整理版7.3.4 變壓器匝比的計(jì)算1.次級(jí)輸出電壓的計(jì)算如圖7-26所示，次級(jí)電壓 V2與電壓VO+VF+VL的關(guān)系可以這樣理解：正脈沖電壓2與1州包圍的矩形“等積變形”為整個(gè)周期 T的矩形，則矩形的“縱向的高”就是 VO

4、+VF +VL ,即V2 =VO VlVf TtON(7-25)式中，Vf是輸出二極管的導(dǎo)通壓降，Vl是包含輸出扼流圈 L2的次級(jí)繞組接線(xiàn)壓降。由此可見(jiàn)，圖7-26所示A面積等于B面積，C是公共面積，因此，真正加在負(fù)載上的輸出 電壓VO更小。圖7-26“等積變形”示意圖根據(jù)式（7-25）,次級(jí)最低輸出電壓 V2min為V2 minVoVlVfTt ON max5.5 0.3 0.5 52.25=14V式中，VFW 0.5V （肖特基二極管），VlW0.3V。2.變壓器匝比的計(jì)算正激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)變壓器只起到傳輸能量加作用，是真正意義上的變壓器，初、次級(jí) 繞組的匝比N為N=V2(7-26)根

5、據(jù)交流輸入電壓的變動(dòng)范圍160V235V,則VI =200V350V, VImin=200V,所以有N =V|min= 200 14.3V2min14把式（7-25）、（7-25）整合，則變壓器的匝比N為NVIm inDmax=VoVlVf(7-27)7.3.5變壓器次級(jí)輸出電壓的計(jì)算變壓器初級(jí)的匝數(shù) Ni與最大工作磁通密度 Bm （高斯）之間的關(guān)系為NVIm intON max代41 一 Bm S(7-28)式中，S為磁芯的有效截面積（mm2）, 8為最大工作磁通密度。輸出功率與磁芯的尺寸之間關(guān)系，見(jiàn)表2-3所示。根據(jù) 表2-3粗略計(jì)算變壓器有關(guān)參數(shù)，磁 芯選EI-28,其有效截面積 S約為

6、85mm2,磁芯材料相當(dāng)于 TDK的H7c4 ,最大工作磁通密度 Bm 可由圖7-27查出。實(shí)際使用時(shí)，磁芯溫度約為100C,需要確保 Bm為線(xiàn)性范圍，因此 Bm在3000高斯以下。但正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源是單向勵(lì)磁, 頻率而改變。此處，工作頻率為設(shè)計(jì)時(shí)需要減小剩磁 （磁復(fù)位）剩磁隨磁芯溫度以及工作 200kHz,則剩磁約減為1000高斯，即磁通密度的線(xiàn)性變化范圍 Bm為2000高斯。根據(jù)式（7-28）,得Ni = VImin MtONmax 父104 - 200 12.25燈0426.5 匝,取整數(shù) 27 匝。Bm S2000 85因此，變壓器次級(jí)的匝數(shù) N2為N2 = N1/N = N1=27/

7、14.3=1.9 匝，取整數(shù) 2 匝。當(dāng)N = N1/N2 =27/2=13.5。根據(jù)式（7-27）,計(jì)算最大占空比 Dmax為D maxM"SN = 1515205203M35 42.5%VIm in200也就是說(shuō)，選定變壓器初、次級(jí)繞組分別為27和2匝，為了滿(mǎn)足最低輸入電壓時(shí)還能保證輸出電壓正常，開(kāi)關(guān)電源的最大占空比Dmax約為42.5%,開(kāi)關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間toNmax約為2.1 Q 下面有關(guān)參數(shù)的計(jì)算以校正后的Dmax （=42.5%）和toNmax （=2.1心。同時(shí)，由式（7-26）計(jì)算的輸出最低電壓V2min約為14.8V。7.3.6變壓器次級(jí)輸出電壓的計(jì)算1 .計(jì)算扼

8、流圈的電感量流經(jīng)輸出扼流圈的電流AIL如圖7-28所示，則 文為I L= "min _,F +VO . toN max( 7-29)式中，L為輸出扼流圈的電感(pH)。這里選*L為輸出電流Io (=20A)的10%30%,從扼流圈的外形尺寸、成本、過(guò)程響應(yīng)等方面考慮，此值比較適宜。因此，按 為IO的20%進(jìn)行計(jì)算。I L = IO 0.2=20 0.2=4A由式(7-29),求得如此，采用電感量為IL =14.8 - 0.5 5.5）父2.1 =4.6 觸44.6流過(guò)平均電流為 20A的扼流圈。若把變壓器次級(jí)的輸出電壓與電流波形合并在一起，如圖7-29所示。在tON期間，V2為幅度1

9、4.8V的正脈沖，VDi導(dǎo)通期間扼流圈電流線(xiàn)性上升，電感勵(lì)磁、磁通量增大；在 tOFF期間, ' 一、, ，、 , 一 、一 ,.、一、 一. 、V2為幅度V1/N的負(fù)脈沖(具體分析見(jiàn)下又)，VDi截止、VD2導(dǎo)通，扼流圈電流線(xiàn)性下降，電感消磁，磁通量減小。輸出給負(fù)載的平均電流IO為20A。穩(wěn)態(tài)時(shí)，扼流圈的磁通增大量等于減小量。2.計(jì)算輸出電容的電容量輸出電容大小主要由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定。輸出紋波電壓由小屋以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻 ESR確定，但輸出紋波一般為輸出電壓的0.3%0.5%。由式（7-31）,求得0.3 0.5 VO0.3 0.5 522- = 2 =15 2

10、5mV100100(7-30)Ir= IL ESR(7-31)esr=-IlIl1525=3.75 6.25m Q4即工作頻率為200kHz時(shí)，需要選用 資料，例如，用8200 F/10V的電容，其 要注意低溫時(shí)ESR值變大。ESR值6.25mQ以下的電容。適用于高頻可查電容技術(shù)ESR值為31mQ,可選6個(gè)這樣的電容并聯(lián)。另外，需流經(jīng)電容的紋波電流1c 2rms為I C 2 rms=1.16A2 .3 2 .3(7-32)因此，每一個(gè)電容的紋波電流約為0.2A,因?yàn)檫@里有 6個(gè)電容并聯(lián)。此外，選用電容時(shí)還要考慮到負(fù)載的變化、電流變化范圍、電流上升下降時(shí)間、輸出扼流圈的電感量，使電壓穩(wěn)定的ESR

11、,是Equivalent Series Resistance三個(gè)單詞的縮寫(xiě)，翻譯過(guò)來(lái)就是等效串聯(lián)電阻ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。ESR是等效 串聯(lián)”電阻，意味著將兩個(gè)電容串聯(lián)會(huì)增大這個(gè)數(shù)值，而并聯(lián)則會(huì)減少之。環(huán)路的增益等，它們可能使電容特性改變。7.3.7恢復(fù)電路設(shè)計(jì)1 .計(jì)算恢復(fù)繞組的匝數(shù)恢復(fù)電路如圖7-30所示。VT1導(dǎo)通期間變壓器 T1的磁通量增大，T1蓄積能量；VT1截止期 間釋放蓄積的能量，磁通返回到剩磁。圖7-30恢復(fù)電路（VT1截止時(shí)）電路中Ti上繞有恢復(fù)繞組 N3,因此VTi截止期間，原來(lái)蓄積在變壓器中的能量通過(guò)VD4反饋到輸入側(cè)（CI暫存）。由于VTi截止期間

12、，恢復(fù)繞組 N3兩端的自感電壓限制為輸入電壓 VI的數(shù)值，惟其如此，VD4才能把存儲(chǔ)在N3中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能反饋到輸入側(cè)。這時(shí)變壓器 初級(jí)感應(yīng)電壓為Vi =Ni VIN3(7-33)式中，Vi是Ni的感應(yīng)電壓，極性為上負(fù)下正；VI是N3的自感電壓，極性也是上負(fù)下正 （等 于電源電壓）。若主開(kāi)關(guān)元件的耐壓為800V,使用率為85%,即M'*VImax把800黑0.85=680丫。Vi - 680-350=330V由式（7-33）,求得N3 -N1 MVimax = 27M350 =28.6 匝,取整數(shù) 29 匝。3302 .計(jì)算RCD吸收電路的電阻與電容VTi導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在Ti中的能

13、量為一 Vi2 M t2NEi-2Li(7-34)式中，Li為變壓器初級(jí)的電感量。VT i截止期間，初級(jí)感應(yīng)電壓使VD3導(dǎo)通，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，在Ri上以熱量形式消耗掉。Ri中消耗的熱量為'2(7-35)匚 _M2 T2- Ri因?yàn)镋尸E2,聯(lián)立式(7-34)、(7-35),整理得Vl = v-XVi M toN 2LiT因?yàn)檩斎腚妷鹤罡?Vimax時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間toNmin最短，把上式中的VI(7-36)換成Vimax，toN換成toNmin,加在VTi上的最大峰值電壓 Vdsp為Vdsp=V Im ax + Vi = V Im axi ：.' tON min2LiT(7

14、-37)由此，求得R1為Ri = 2： !q-iVim ax旦tON min(7-38)又，當(dāng)輸入電壓Vimax時(shí)，toNmin為toNmin =toNmax 父 =2.i 父駟=i.2 八Vimax350式（7-38）中，初級(jí)的電感量 L1是未知數(shù)，下面求解。Al-Value值由磁芯的產(chǎn)品目錄提供。EI （E） -28, H7c4的A1-Value值為5950,則2（7-39）A1-Value= L1/N1由式（7-39）,求得L1為_(kāi) _ 2_ _9 _2_ _9Li =5950 xNi"0=5950 M27m 10=4.3mH由式（7-38）,求得R1為（680'2 4

15、.3父10%5M 106R1 = 2M -1 I m28.2k Q3501.2 10式中，加在 VT 1上的最大峰值電壓 Vdsp取680V。時(shí)間常數(shù)RCi比周期T要大的多，一般取10倍左右，則T5 10, c lC1 =10=10 3 -1773pFR28.2 1033.計(jì)算主繞組感應(yīng)電壓當(dāng) Mmax=350V，根據(jù)式（7-33）,得、,' 27 350V1 =325V29閱讀資料t°N即將結(jié)束時(shí)初級(jí)繞組的勵(lì)對(duì)于正激式開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)變壓器勵(lì)磁，在 磁電流Ii為Vi MtON/L1。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，變壓器需要消磁，恢復(fù)二極管VD3和繞組N3就是為此而設(shè)，勵(lì)磁能量通

16、過(guò)它們反饋到輸入側(cè)。若繞組N1中蓄積的能量全部轉(zhuǎn)移到繞組N3中，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間“安匝相等”原理仍然成立，則繞組 N3的勵(lì)磁電流I3為M I1N3范文范例學(xué)習(xí)指導(dǎo)把Il=Vl Mt°N / Li代入上式，得又，繞組N3的勵(lì)磁電感與繞組NiVi x=toNLiN3Ni的勵(lì)磁電感的關(guān)系為L(zhǎng)3Li恢復(fù)二極管 VD3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，變壓器以輸入電壓 Vi進(jìn)行消磁。為消除Ii=Vi x toN / Li的勵(lì)磁電流I1，必要的時(shí)間類(lèi)似1產(chǎn) MtoN/ Li ,即* iI3tre = L3VI把上式L3、I3分別用前兩式代入上式，整理得為防止變壓器磁飽和，必須在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間變壓器完全消磁，則tre

17、63;toFF=i-D TN3NitoN 三 i - D T因此，正激變換器的電壓變比限制為D < NiNiN3比如，本例中Ni=27, 電=29,則N =-27=0.482 之 Dmax (=0.425)。Ni N327 297.3.8 MOSFET 的選用1. MOSFET的電壓峰值根據(jù)式（7-38），計(jì)算VT i上的電壓峰值Vdsp為word整理版范文范例學(xué)習(xí)指導(dǎo)實(shí)際上,Vdsp =35028.2 1032 4.3 10，5 10-6x1.2x10-6 =690VMOSFET的漏-源極之間的還疊加有幾十伏的浪涌電壓，波形如 圖7-31所示。圖7-31加在主開(kāi)關(guān)元件上的電壓 Vds波

18、形圖7-32主開(kāi)關(guān)元件上的電壓與電流波形2. MOSFET 的電流及功耗根據(jù)變壓器安匝相等原理，MOSFET的漏極電流平均值1ds為N221ds = IO 父=20 父=1.48ANi27根據(jù)電感電流的變化量為20%,確定Ids的前峰值Ids1和后峰值Ids2分別為1dsi= I ds 父0.9=1.48 父 0.9= 1.33A1ds2 = 1dsM 1.1=1.48 父 1.1 = 1.63A式中，Ids1、Ids2分別是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間前、后沿峰值電流，與電流平均值 Ids有10%的差值。VT 1的電壓和電流波形如 圖7-32所示，VT 1的總功耗FQ1為PQ1=6TVimin Ids1t

19、13Vds(sat)屋1 . Ids2t2Vdsp屋2t3 1式中，Vds(sat)是MOSFET導(dǎo)通電壓，一般為在2V以下。word整理版(7-40)范文范例學(xué)習(xí)指導(dǎo)米用功率MOSFET計(jì)算功耗時(shí)應(yīng)注意：(1)PN結(jié)溫度Tj越高，導(dǎo)通電阻Rds越大，Tj超過(guò)100c時(shí)，Rs 一般為產(chǎn)品手冊(cè)中給出 值的1.52倍。(2)功率MOSFET功耗中，由于Rds占的比例比較高，必要時(shí)加寬t°N進(jìn)行計(jì)算。即在Mmax時(shí)，采用toNmin條件，或者Vimin時(shí)，采用toNmax條件進(jìn)行計(jì)算。另外，在toFF期間，由于功率MOSFET的漏極電流極小，其功耗可忽略不計(jì)。因?yàn)閠ON max =2.1八

20、t1采用MOSFET產(chǎn)品手冊(cè)中給出的上升時(shí)間，t3采用下降時(shí)間。這里，取 t1=0.1§ t3 =0.1§ 則t2 =2.1-0.1-0.1=1.9 科 S由式(7-40),求得PQ1為1，PQ1=200 1.33 0.1 3 1.7 1.33 1.63 1.9 720 1.63 0.15.3W6 5式中，Vds(sat)取 1.7V。-TRfa =結(jié)溫Tj控制在120C,環(huán)境溫度最高為 50c時(shí)，需要的散熱器的熱阻 Rfa為j max -Tamax Rjc PQ1 j 120 - 501.0 5.3= 12.2 C /WPqi由此，需要12.2C/W的散熱器，這時(shí), 定散

21、熱器的大小。散熱器大小與溫升一例如5.3(7-41)由冷卻方式是采用自然風(fēng)冷還是風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷來(lái)決圖7-33所示。曲刖70503010 廣二京寤雷膽德過(guò)扉#tt漫坤；圖7-33功耗與溫升的關(guān)系7.3.9 恢復(fù)二極管的選用恢復(fù)二極管選用高壓快速二極管，特別注意反向恢復(fù)時(shí)間要短。1. VD 3的反向耐壓在tON期間VD3反偏，正極相當(dāng)于接地， 加在VD 3上的反向電壓等于電源電壓。當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，VD3反偏電壓Vrd3=350V。2. VD 4的反向耐壓在tON期間VD4反偏，加在VD4上的反向電壓Vrd4為電源電壓與恢復(fù)繞組感應(yīng)電壓的疊加，當(dāng)輸入電壓最高時(shí)，VD4反偏電壓Vrd4為. InJ29

22、、Vrd 4 =Vim ax x 1 十 一 二350 父 1 十 一|= 726V(7-42)< Ni ；<27；7.3.10輸出二極管的選用輸出二極管選用低壓大電流SBD ,特別注意反向恢復(fù)時(shí)間要短。這是因?yàn)镸OSFET通斷時(shí)，由于二極管反向電流影響初級(jí)側(cè)的開(kāi)關(guān)特性，功耗增大的緣故。1,整流二極管 VDi的反向耐壓在toFF期間，由于輸出濾波電感反激，續(xù)流二極管 VD2導(dǎo)通，王繞組Ni感應(yīng)電壓Vi =330V;次級(jí)N2電壓加在整流二極管 VDi的兩端，因此，VDi的反向電壓Vrdi為N22Vrdi=Vi x =325 x - -24V( 7-43)Ni27實(shí)際上，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)有

23、幾十伏的浪涌電壓疊加在這電壓上。2.續(xù)流二極管 VD 2的反向耐壓在tON期間VDi導(dǎo)通，加在續(xù)流二極管 VD 2上的反向電壓Vrd 2與變壓器次級(jí)繞組電壓的最大值V2max相同,即N22V2max 二Vimax 父 N2 =350 父方26V( 7-44)實(shí)際上，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)有幾V浪涌電壓疊加在這電壓上。加在VDi、VD 2導(dǎo)通上的電壓波形如圖7-34所示。(a)整流二極管VD1兩端的電壓波形圖 7-34(b)續(xù)流二極管VD 1兩端的電壓波形 輸出二極管電壓波形整流二極管VD1的功耗Pd1為Pd1=VF XloXtTN-XVrdiXlrXtOFFT-trr +) jrVrdi Ml"

24、;t)dt(7-45)續(xù)流二極管VD2的功耗Pd2為也叫MI。M母"2父Ir父；“十V*父I rrdt (7-46)式中，Ir為反向電流,%為反向恢復(fù)時(shí)間，均采用產(chǎn)品手冊(cè)上給出的數(shù)值。有功耗時(shí)，輸(b)續(xù)流二極管 VD1兩端的電壓波形出二極管的電壓和電流波形如圖7-35所示。7.3.11 變壓器參數(shù)的計(jì)算MOSFET的漏極電流平均值Ids為就是變壓器初級(jí)電流的平均值，因此 I1為Ii=1.48A正激式開(kāi)關(guān)電源初、次級(jí)的電流同相，且均為梯形波。根據(jù)前述梯形波電流的有效值的公式D'二 11rms= IlP 11 ' K K.3式中，K是梯形波電流的前峰值I伯與后峰值11P

25、的比值，即K = I伯/11Po本電路Ids1就是I1B，Ids2就是I1P，則K = Ids1/Ids2=0.9l1/1.1 I1 =0.82初級(jí)電流的有效值11rms為D20 42211rms=1.1 M 1ds三父(1 +K +K2 )=1.1 M1.48M JM(1 +0.82 +0.8220.96A或用簡(jiǎn)單公式11rms = Idsg =1.48 M v,0.42 = 0.96A次級(jí)電流的有效值12 rms為12rms左二由十12.95A恢復(fù)繞組電流的有效值13mls為 iiiis13rms=I1rms *=0.96父/0.89A自然風(fēng)冷時(shí)電流密度 Jd選為24 (A/mm2),強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)選為35 (A/mm2)較適宜。根 據(jù)電流的有效值